超新星爆發是宇宙中最極端的天文現象之一，大質量恆星在死亡時釋放大量能量並塌縮成中子星或黑洞，爆發的能量能使其光度短暫的超過整個星系。但你聽過失敗超新星嗎？
今年的兩篇論文分別研究了兩個「失敗超新星」的候選天體。第一篇論文於今年2月發表，研究對象是焰火星系（NGC 6946）中的N6946-BH1。N6946-BH1原本是紅超巨星（RSG），在2009年時觀察到可見光與紅外線波段顯著增強，但不足以達到典型超新星的光度，並在後續經歷了長達數千天的光度衰減。第二篇論文發表於今年10月，研究對象為仙女座星系的M31-2014-DS1，這是一顆耗盡氫的超巨星。M31-2014-DS1只有在中紅外線波段觀察到光度增強，沒有可見光爆發記錄。這種紅外線增強持續了約1000天，並在後續數千天觀察到明顯的光度下降。
兩個超新星的光度變化與典型超新星有顯著不同。典型超新星會產生劇烈的可見光爆發，釋出的能量導致光度急速增強並在數天至數周內達到峰值，這種光度增強是由於超新星爆發的衝擊波驅散原本恆星的外殼並與周圍物質相互作用造成。N6946-BH1與M31-2014-DS1沒有發生強烈的可見光爆發，這代表兩顆超巨星的外殼物質可能無法被完全拋出，使得產生的輻射以紅外線為主。典型超新星在光度達到峰值後會在數個月之內逐漸衰減，但是N6946-BH1與M31-2014-DS1的光度下降時間長達數千天，這種緩慢且持久的衰減與塵埃形成和外殼物質回落有關，而非來自於典型超新星的放射性元素衰變能量（如鎳-56）。同時雖然超新星爆發會在周圍形成塵埃，但典型超新星通常塵埃會在爆發後的數個月到數年才形成且不會顯著影響光度衰減，但是這兩個案例可能在爆發早期塵埃就迅速形成導致可見光被吸收，中紅外線波段的輻射大幅增加。
這幅藝術家圖像描繪了紅巨星在爆發失敗的情況下形成黑洞。從左至右：大質量恆星演化成紅巨星，恆星的外殼擴張成較冷的瞬變來源並包圍著新生黑洞。剩餘的物質可能會重新透過吸積盤與吸積流落入黑洞，並提供數年的紅外線輻射源。來源：NASA/ESA/P. Jeffries (STScI)
N6946-BH1與M31-2014-DS1的光度變化模式共同驗證了「失敗超新星」形成過程的理論：在核心塌縮形成黑洞的過程中能量不足以將恆星外殼完全拋出去，導致大部分物質回落並形成黑洞；釋出的物質形成塵埃雲使光度減弱，而可見光被遮蔽。研究顯示，儘管N6946-BH1與M31-2014-DS1是目前唯二確認的失敗超新星，但這類事件可能比我們過去認為的更加普遍，並提供了理解恆星質量黑洞形成的新觀點。
這張圖說明了沒有足夠能量的微中子震波（neutrino shock wave）可能導致黑洞形成卻沒有發生超新星爆發。A圖顯示了初始的震波，藍色線條代表微中子的釋放，紅色圈代表向外傳播的震波。B圖顯示因微中子的能量不足導致震波停滯，白色箭頭代表向內墜落的物質。外層物質向內墜落但是微中子加熱不足以再次生成震波。C圖以紅色虛線顯示失敗的震波，更粗的白色箭頭代表加速的物質塌縮，使核心變得更緊密。D圖顯示黑洞形成，剩餘的物質形成吸積盤。來源：Universe Today
資料來源：
Universe Today
Kochanek, C. S., Neustadt, J. M. M., and Stanek, K. Z., The Search for Failed Supernovae with the Large Binocular Telescope: The Mid-infrared Counterpart to N6946-BH1, 2024(ApJ)
De, K., The disappearance of a massive star marking the birth of a black hole in M31, 2024(arXiv)
本文轉載自臺北市立天文科學教育館網站。
